alexxlab Купола из кирпича, откуда они пошли и кто первый изобрел… Читайте.
Римские строители отличались оригинальным подходом к работе, именно они начали строить арки из клиновидных кирпичей. Было бы логично, если бы купол строился по технологии возведения арки, и так и было, были купола, которые возводились из кирпичей, но раньше этого, их просто отливали из бетона, и они не имели никакого отношения к технологии строительства арок, которые в тоже время возводили в других постройках. Одним из монументальных строений той эпохи стал купол Пантеона, который построили в промежутке от 118 до 128 года после рождения Христа, отдавал распоряжение о строительстве – цезарь Адриан.
Пантеон, это огромное помещение, шириной в 43 метра, а высотой целых 50 метров! Оно держит на себе купол с диаметром 43 метра. Сам купол лежит на кирпичных стенах, которые построены по кругу и образуют цилиндр, в нем через равные промежутки, присутствуют ниши. Окон в куполе нет, однако есть круглый проем в самой верхней центральной части корпуса купола.
В основе купола Пантеона лежал бетон, а не кирпич. Однако кирпич имел важное значение при постройке основания для купола. Все кирпичи, которые можно увидеть снаружи, не прямоугольные, как это могло бы показаться, их резали на треугольники и выкладывали так, чтобы длинная сторона оказалась снаружи. Толщина стен тоже обманчива, она всего около 6 метров. А кладка на основе ниш и пустот, сужается к низу, уменьшая общий вес постройки и вес воздействия на фундамент, тем самым повышая прочность и долговечность конструкции. Весь вес купола переходит к фундаменту через арки, построенные специально для разгрузки сооружения, на солидные опоры между пустотами.
Однако, как бы не хорош и монументален был Пантеон, купола из бетона неизбежно стали не модными. В византийскую эпоху появились массивные кирпичные купола. Сначала просто добавляли ребра из кирпича в бетонный купол, при мерно такие же ребра применялись в Риме. Скорее всего ребра применялись для устойчивости купола, как показала история, купол не разрушался даже в том случае, когда не было уже части заполнителя между ребрами.
Далее, при постройке куполов, уже не было бетона, они целиком строились из кирпича. Родоначальником этого веяния в строительстве были Византийцы, именно они решили использовать кирпич.
В книге «Строительное искусство Римлян» имеются примеры большого количества куполов из кирпича, Это мавзолеи Галерия и Диолективана, в последнем случае, кирпичи укладывались послойно, для увеличения прочности и непоколебимости конструкции, в а других постройках боролись с весов куполов – применяли пустые трубы или же просто кувшины из глины, эта находка в строительстве часто использовалась в Византии.
Хотите купить кирпич? Звоните, поможем с выбором.
Механики объяснили необязательность подпорок при строительстве восьмиугольных куполов
Итальянские и американские механики объяснили, как итальянским зодчим XVI века удавалось возводить большие восьмиугольные купола без использования поддерживающих приспособлений. Смоделировав на компьютере структуру кирпичной кладки таких куполов, ученые показали, что из-за механического сопротивления горизонтальных элементов купол не обваливается во время строительства, а сам поддерживает свою форму. Результаты работы интересны в том числе для развития технологий строительства с использованием роботов, пишут ученые в Engineering Structures.
Один из самых впечатляющих образцов архитектуры XV века — восьмисекционный купол собора Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции. Отличительная особенность построенного Филиппо Брунеллески купола в том, что большую часть купола возводили без подпорок и строительных лесов. Для осуществления проекта архитектор использовал технологию кирпичной кладки «в елочку» — прием, который применяли при строительстве куполов в Древнем Риме.
Кирпичи в такой кладке елочкой разделены на две группы: часть кирпичей развернуты вертикально и выложены вдоль локсодром (наклонных линий на искривленной поверхности купола), а пространство между ними заполнено обычной горизонтальной кладкой. В куполе собора Санта-Мария-дель-Фьоре эти наклонные линии из вертикальных кирпичей пересекаются, складываясь в ромбы. Такая структура кирпичной кладки приводит к самобалансировке всей конструкции и позволяет строить купола без использования строительных подпорок и опалубки.
После Брунеллески восьмиугольные купола, хоть и чуть меньшего размера, строили в соборах XVI века.
В частности, несколько таких куполов построил Антонио да Сангалло-младший, немного модифицировав изначальную технологию, — сейчас спроектированные им купола можно увидеть, например, в соборах в Риме или Монтефьясконе.
В куполе Брунеллески диагонали ромбов в елочной кладке отклоняются от вертикали только в одном направлении (просто чтобы купол сошелся), но при этом всегда остаются параллельными друг другу и не пересекаются, а ромбы по всей высоте купола остаются одинакового размера. А вот в восьмиугольных куполах Сангалло диагонали ромбов в кирпичной кладке не параллельны и сходятся к вершине купола. И если особенности кирпичной кладки собора Санта-Мария-дель-Фьоре довольно подробно исследованы, то уравновешивание куполов Сангалло с точки зрения строительной механики не изучалось.
Чтобы объяснить, почему такой купол можно построить без использования поддерживающих приспособлений, механики из Италии и США под руководством Сигрид Адрианссенс (Sigrid Adriaenssens) из Принстонского университета смоделировали его кирпичную кладку с помощью численных методов.
Ученые использовали метод дискретного элемента, который обычно используют для моделирования систем, состоящих из большого числа похожих друг на друга частиц. Этот подход учитывает трение между отдельными элементами и их силу тяжести — он хорошо описывает, например, песок и поэтому часто применяется для решения механических задач в геологии.
В данном случае ученые с помощью такого метода рассчитали силы, которые действуют на кирпичи в кладке купола на каждом этапе строительства, чтобы оценить, будет ли система устойчивой. Оказалось, что основное напряжение приходится на участок горизонтальной кладки между вершинами ромбов. За счет механического сопротивления этого участка кирпичи не поворачиваются и не скользят относительно друг друга, а еще не достроенный купол не разваливается на части.
Интересно, что сила трения, которая создается между кирпичами за счет строительного раствора, большой роли не играет: практически при любом коэффициенте трения такая система будет устойчива на каждом этапе строительства.
Авторы работы отмечают, что после середины XVII века подобную технику при проектировании и строительстве куполов не использовали. Почему так произошло — до конца непонятно, но сейчас, по словам ученых, описанные ими особенности уравновешивания в елочных кладках интересны уже не столько с точки зрения истории или сохранения архитектурных памятников, сколько для развития некоторых областей робототехники. В частности, самоуравновешивание конструкций может быть полезно для развития методик строительства с использованием летающих роботов.
От редактора
Изначально в новости ошибочно сообщалось, что способность купола самоуравновешиваться позволяет строить его без лесов. На самом деле за счет уравновешивания незавершенной кладки можно избежать использования подпорок и опалубки. Некоторые купола действительно строили без использования лесов: например, большая часть купола собора Санта-Мария-дель-Фьоре возводилась без лесов — но для этого Филиппо Брунеллески сделал его двухслойным, что давало возможность производить кладку кирпича из прохода между внутренним и внешним слоями купола.
Объяснение способности поддерживать равновесие без дополнительных приспособлений помогает не только строителям или механикам. Например, американские зоологи показали, что равновесие, которое поддерживают фламинго, стоя на одной ноге, помогает им не затрачивать мышечных усилий и экономить энергию.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Двойная спираль кладки — исследователи раскрывают секрет куполов итальянского Возрождения
Амелия Херб, Управление инженерных коммуникаций
21 мая 2020 г., 12:12.
Чему современные инженеры могут научиться у бывшего ювелира, построившего самый большой из существующих каменных куполов? Строительство флорентийского собора Филиппо Брунеллески уже более 500 лет является чудом инженерной мысли, демонстрируя древние методы, которые до сих пор содержат ценные идеи для современной инженерии.
До сих пор оставалось загадкой, как мастеру-ювелиру и скульптору удалось создать шедевр, раздвигающий границы возможного даже при использовании современных строительных технологий, и как мастера, последовавшие за Брунеллески, продолжили традицию.
Двойной локсодром состоит из рядов вертикальных кирпичей, пересекающихся вокруг купола и заполненных горизонтальными кирпичами. По сути, каждый ряд кирпичей создает конструктивный элемент, известный как пластина-полоса, которая вклинивает внутренние кирпичи между вертикальными торцевыми крышками.
Изображение предоставлено исследователями
В совместном исследовании, опубликованном в июльском выпуске журнала Engineering Structures за 2020 год, исследователи из Принстонского университета и Университета Бергамо раскрыли инженерные методы самонесущих каменных куполов, характерные для итальянского Возрождения. Исследователи проанализировали, как купола, такие как знаменитый дуомо, часть собора Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции, были построены как самонесущие, без использования подпорок или обычно необходимых форм.
«Нет ничего более трогательного, — сказал Аттилио Пиццигони, соавтор исследования, — чем чтение легкости небес в камне в абсолютной и простой форме, такой как флорентийский купол».
Сигрид Адриансенс, профессор гражданской и экологической инженерии в Принстоне, сотрудничала в анализе с аспирантом Витторио Пэрис и Пиццигони, профессором инженерии и прикладных наук, оба из Университета Бергамо. Их исследование является первым, чтобы количественно доказать физику работы куполов итальянского Возрождения и объяснить силы, которые позволяют строить такие конструкции без опалубки, которая обычно требуется даже для современного строительства. Раньше в полевых условиях существовали только гипотезы о том, как силы протекают через такие сооружения, и было неизвестно, как они возводились без использования временных конструкций, удерживающих их во время строительства.
Для Adriaenssens проект ставит два важных вопроса. «Как человечество может построить такое большое и красивое сооружение без всякой опалубки — механически, в чем новшество?» спросила она.
Во-вторых, «Чему мы можем научиться?» Есть ли какие-то «забытые технологии, которые мы можем использовать сегодня?»
Пластина-полоса является неотъемлемым элементом, который распределяет силу по всему куполу, сохраняя форму и устойчивость конструкции
Изображение предоставлено исследователями
Подробный компьютерный анализ учитывает действующие силы вплоть до отдельных кирпичей, объясняя, как используется равновесие. Метод, называемый моделированием дискретных элементов (DEM), использовался для анализа конструкции на нескольких уровнях и этапах строительства. Анализ предельного состояния определил общее состояние равновесия или устойчивость завершенной конструкции. Эти тесты не только проверяют механику конструкций, но и позволяют воссоздать методы современного строительства.
Исследователи заявили, что результаты могут быть особенно полезны в тех случаях, когда удаленное строительство, например, с помощью дрона, может быть выполнено с минимальными временными опорами.
«С помощью этих исследований, — сказал Пиццигони, — мы стремимся приблизиться к моментам в истории, когда единственной формой технологии, доступной человеку, была абстрактная рациональность геометрии. […] Что мы, как дизайнеры, архитекторы и строители, можем извлечь из прошлого, так это знание структурного равновесия формы, основанное на геометрии материалов и их взаимных измерениях в трехмерном пространстве».
Древнеримская техника, используемая в стенах и очагах, называемая opus spicatum, напоминает одиночный локсодром, использованный Брунеллески во флорентийском соборе.
Opus spicatum, рисунок К.Г. де Монтозан. Революционный купол и спиралевидный узор в виде елочки, рисунок Ф.К. Гурьери.
Проверка физических свойств купола
Особой структурой, которую изучала команда, была Санта-Мария в Сьель-д’Оро, Монтефиасконе, Италия. Суть их анализа заключается в геометрическом узоре кирпичей, используемых по всему внутреннему куполу, который, по-видимому, является стержнем, жизненно важным для обеспечения самонесущей конструкции.
Кирпичи образуют елочку, V-образный узор, между горизонтальными полевыми кирпичами и вертикальными кирпичами в начале и конце горизонтальных рядов. Расположение создает линии из расположенных в шахматном порядке вертикальных кирпичей, которые проходят по диагонали по кривизне купола.
Произведенная композиция представляет собой сложный спиральный узор в виде перекрестной елочки. Одна елочка как с левого, так и с правого углов многократно пересекает друг друга, обеспечивая устойчивость внутренних кирпичей и сохраняя кривизну купола. Анализ исследователей показал, по сути, что это двойная спираль поддержки, которая распределяет и уравновешивает вес и тягу внутри конструкции. Эта система перекрестных вен елочкой известна как двойной локсодром.
Каждый ряд горизонтальных кирпичей давит наружу на вертикальные кирпичи в виде елочки, образуя ряды пластин-полос или прямых арок внутри двойного локсодрома. Физическая тяга горизонтальных кирпичей к вертикальным кирпичам удерживает горизонтальные кирпичи на месте во время строительства и обеспечивает устойчивость всей конструкции после ее завершения.
Это ключ к стабильности купола. Один из основных выводов исследователей заключается в том, что для куполов с радиальной геометрией рисунок кирпича в виде елочки позволяет кирпичам вклиниваться в виде пластинчатых полос и не скользить внутрь, что могло бы привести к обрушению купола.
Простая, но гениальная физика, демонстрируемая структурой, «представляет собой элементарное действие, которое превращает аморфный и инертный материал в признак жизни, который [мотивирует] напряженность между противоборствующими силами и уравновешивает их», — сказал Пиццигони. Купола итальянского Возрождения — это архитектурная форма, которая «признает дисциплинарную сложность» смешения идеалов «стабильности, красоты и полезности, которая проходит между инженерией, строительством и архитектурой», — сказал он.
От древнего строительства к современному
В то время как физика структуры больше не является поводом для серьезных споров после этой компьютерной проверки, историческое происхождение метода «елочка» остается необъясненным.
Поскольку Брунеллески не оставил после себя чертежей или строительных заметок, некоторые исследователи приписывают эту технику влиянию арабских и византийских куполов. Например, пятничная мечеть (Masijid-i Jami’) в Ардестане в Исфахане, Иран, была построена с использованием этой техники примерно в 1088 году н. э., за столетие до строительства купола Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции.
Другие считают, что происхождение связано с римской техникой, называемой opus spicatum, при которой кирпичи плотно укладываются в виде елочки, не требуя большого количества раствора. Такие кирпичные узоры обычно использовались в древнеримских и средневековых каминах в каменных очагах, чтобы предотвратить коррозию известкового раствора, которая возникает под воздействием тепла и пламени, или в качестве полевых кирпичей в стенах для повышения устойчивости.
Во флорентийском соборе Брунеллески использовал только одну спираль, поэтому линии вертикальных кирпичей не пересекаются друг с другом.
Вместо этого они просто остаются параллельными, как в opus spicatum. Это не влияет на устойчивость конструкции, и физика пластины-полосы по-прежнему является неотъемлемым элементом, который обеспечивает высоту, размер и устойчивость флорентийского собора, а также позволяет строить без опалубки.
Поскольку техника двойного локсодрома использовалась после Брунеллески мастерами Сангалло по всей Италии, в том числе в базилике Святого Петра в Ватикане, это позволяет исследователям предположить, что купола Сангалло были эволюцией оригинальной одинарной локсодромии Брунеллески. В эпоху Возрождения архитекторы Сангалло построили множество двойных локсодромных куполов по всей Италии. Что остается неизвестным, так это то, почему этот метод не использовался после 16 века, сказал Пэрис.
Команда надеется воскресить эти забытые техники в настоящем. «Возможно, наиболее интригующим аспектом таких исследований, — сказал Пиццигони, — является переосмысление будущего, определяемого технологиями строительства, от которых отказалась механическая наука».
Исследователи ожидают, что это исследование может иметь практическое применение для разработки методов строительства с использованием беспилотных летательных аппаратов и роботов. Использование этих беспилотных машин для строительства повысит безопасность рабочих, а также повысит скорость строительства и снизит затраты на строительство.
Еще одно преимущество открытия новых строительных технологий из древних источников заключается в том, что это может принести пользу окружающей среде. «Строительная отрасль — одна из самых расточительных, поэтому, если мы ничего не изменим, строительного мусора будет намного больше», — сказал Адриансенс, который заинтересован в использовании дронов для строительства крыш с очень большими пролетами, которые являются самонесущими и не требуют подпорок или опалубки.
«В целом, этот проект обращается к древнему повествованию, повествующему о камнях, обретающих равновесие в чуде разума, — сказал Пиццигони, — от купола Брунеллески до механических рук современной робототехники, где технология является перформативным пространством и его общественное использование».
Поддержку этому исследованию оказали Университет Бергамо и Международный фонд Принстонского университета при Управлении международных отношений и операций Принстонского университета. Программное обеспечение 3DEC было предоставлено Itasca C.G. в рамках программы «Образовательное партнерство».
Пятничная мечеть Ардестан в Исфахане, Иран, построенная примерно в 1088 году н. э., демонстрирует технику двойной локсодромии.
Изображение: © Чала Хадими, предоставлено Центром документации Ага Хана, Библиотеки Массачусетского технологического института (AKDC@MIT)
Традиционные методы строительства куполов — здание из мешков с землей
Последнее обновление: среда, 14 декабря 2022 г. | Здание из мешков с землей
Техника возведения каркаса известна тысячи лет назад. Он предполагает укладку рядов кирпича горизонтально, а не под наклоном. Каждый ряд немного уступает предыдущему ряду, фактически выступая над нижележащими кирпичами. Это создает профиль более конусообразный, чем полусферический (рис.
Еще одна традиционная технология строительства куполов с использованием сырцового кирпича называется кладкой в нубийском стиле. Эта техника была разработана строителями Верхнего Египта более трех тысяч лет назад. Они установили сырцовые кирпичи под углом, начиная с линии пружины, что позволило им следовать низкопрофильной полусферической форме. Поскольку кирпичи следуют по профилю, угол кирпичей почти вертикальный, когда они достигают вершины купола (рис. 11.5).
Наиболее распространенные конструкции, используемые для куполов из сырцового кирпича на Ближнем Востоке и в Средиземноморье, имеют вертикальные стены круглой или квадратной формы и поднимаются на высоту головы от уровня земли, в этой точке неглубокая, полусферическая или параболическая форма построен купол.
В традиционных технологиях горизонтальной тяге неглубокой купольной крыши противодействует увеличение толщины стен в два или три раза по сравнению с толщиной купола, что обеспечивает дополнительную массу в качестве опоры.
Строительство нескольких куполов с одной и той же стеной уравновешивает горизонтальную тягу в месте соединения куполов. Боковые подпорки могут быть стратегически включены для дополнительной устойчивости
Сегодня полусферический низкопрофильный кирпичный купол использует бетонную связующую балку на линии пружины в качестве натяжного кольца для противодействия давлению, вызванному создаваемыми горизонтальными силами. Чем ниже профиль купола, тем большее давление оказывается в стороны. Без сплошного натяжного кольца, создаваемого связующей балкой, горизонтальная тяга купола вытолкнула бы стены из-под него и разрушила бы (рис. 11.7).
Мексика имеет традиционный стиль строительства кирпичных купольных крыш, называемый Боведас. Купола Боведа похожи по конструкции на нубийскую кладку, где кирпичи укладываются под все более пологим углом по мере того, как купол смыкается вверху (рис. 11.8).
11.6: Традиционные методы противодействия горизонтальной тяге плоской куполообразной крыши; увеличить толщину стен, построить несколько куполов, включить боковые контрфорсы.